回首“芯”时代—— CPU本纪

《回首“芯”时代—— CPU本纪》由会员分享，可在线阅读，更多相关《回首“芯”时代—— CPU本纪（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、回首“芯”时代 CPU 本纪作为计算机产业的“芯”动力，CPU 这颗小小的芯片诞生不过 30 余年，却引得无数英雄为 之倾倒，演出了一幕幕悲欢离合、跌宕起伏的故事。这其中，既有纵横睥睨的人物、闪 现智慧的创新，也有洞察产业前景和未来方向的决断，当然也少不了尔虞我诈的市场竞 争。在 CPU 将要从 32 位过渡到 64 位的前夕，让我们随着时间的脚步，回首那个日新月 异的“芯”时代，感受它那特有的脉搏和“芯”跳。一、 群雄并起，勾“芯”斗角最早的电子计算机采用真空管作为基本电子元件，而每个真空管和一个 25 瓦的灯泡 差不多大，自然不可能出现现代意义上的 CPU。1947 年底，晶体管出现了，它

2、廉价、可 靠、体积小，因此逐渐取代了真空管。此后的计算机，逐渐开始采用布满晶体管、电阻 和电容等元器件的大型电路板，实现特定的计算功能。1958 年，诺伊斯（Bob Noyce）发明了可进行工业化生产的集成电路（Integrated Circuit，IC） ，各种定制的 IC 芯片开始广泛应用于计算机行业中。例如著名的 IBM360 系 列计算机（诞生于 1964 年 4 月）就使用了大量的集成电路块，分别作为算术运算器、逻 辑运算器、控制器以及寄存器等，而把它们集成在一颗芯片做成 CPU（Central Processing Unit，中央处理器） ，则是 Intel 公司的发明。1. 4

3、位 CPU：Intel 拔得头筹1971 年 11 月 15 日，Intel 公司推出 4004 芯片，揭开了“芯”时代的序幕。4004 的推 出是很偶然的，当时一家叫 Busicom 的日本公司，以 6 万美元委托刚刚成立 3 年的 Intel 公司为它开发一套包含 12 个定制芯片的装置，用于该公司的计算器（千真万确，是计算 器，不是计算机！） 。由于 Intel 的人手不够，如果按常规做法，一个一个地设计这 12 个 芯片，肯定无法按时交货。为节省开发时间，Intel 的工程师霍夫（Ted Hoff）提出了微 处理器的设计架构，把运算器、控制器和寄存器等集成为一个芯片，费金（Federi

4、co Fagin）则负责该芯片的具体研制，世界上第一颗 CPU4004 就这样诞生了。4004 是 一个 4 位微处理器，频率只有 108kHz，集成了 2250 个晶体管，售价高达 299 美元。就 是这样一个不起眼的小玩艺儿，却在以后的日子里掀起了一场意义深远的技术革命。当时 Intel 公司的主要业务还是存储器，公司上下并未意识到这块芯片将引发一场技 术革命。正如后来董事长格罗夫（Andy Grove）所说的那样：“这款微处理器（4004）在 当时代表了 Intel 产品的未来，但在最初面市的 15 年，我们根本没有意识到这一点，而 最终它却成了 Intel 在商业领域的标志性产品。 ”

5、 15 年后的 1986 年，Intel 公司宣布放弃 DRAM 业务，这才把 CPU 作为公司的主业。2. 8 位 CPU：诸侯混战1972 年，Intel 推出了第一款 8 位 CPU8008，1974 年又推出了它的改进型产品 8080。此时，CPU 开始广泛用于工业控制、设备智能控制等许多领域，CPU 行业成为行情看好的新兴产业。许多半导体公司纷纷杀入这一领域，MOTOROLA（摩托罗拉） 、 TI（Texas Instruments，德州仪器） 、NS（National Semiconductor，国家半导体） 、仙童半 导体等著名厂商都推出了自己的产品；一些从事传统行业的大公司也有

6、意向这个行业投 资，希望从中分到一杯羹，德国的西门子（Siemens）公司甚至一度计划收购 Intel。在这些公司推出的产品中，MOTOROLA 的 8 位 CPU6800 对 Intel 的处理器构成 了主要威胁。可正当 Intel 和 Motorola 斗得不可开交的时候，两家的后院相继失火。 MOTOROLA 的部分工程师离开公司成立了 MOS Technology 公司，推出了著名的 6502 芯片，2 年以后大红大紫的 Apple电脑用的就是这颗 CPU。Intel 的损失更惨，其研发骨干费金因为和上司不和而辞职，另起炉灶成立了 Zilog 公司，很快就推出了功能更强的 8 位 CP

7、UZ80，全面兼容 Intel 的 8080，这样现有系 统无需重新修改软件即可运行。Zilog 的这记重拳使 Intel“很受伤”，许多原本使用 Intel 8080 的产品都转向 Z80。虽然 1976 年 Intel 急急忙忙推出 8085 迎战 Z80，但形势依然没 有根本好转。3. 16 位 CPU：Zilog 出局为了扭转不利形势，Intel 转而开辟新的战场16 位 CPU。1978 年，Intel 正式推 出 8086，起跳频率为 4.77MHz，此后还推出过 8MHz 与 10MHz 的版本。8086 和与之配 合的 8087 数学协处理器使用一套互相兼容的指令集，8087

8、还增加了一些专门用于对数、 指数和三角函数等数学计算的指令，习惯上被统称为 X86 指令集，这就是后来 X86 架构 的由来的由来。第 2 年，Intel 又推出了成本更低的 8088，8088 的内部数据总线都是 16 位，只 是外部总线由 16 位降低为 8 位。其实 8086 并不是世界上第一颗 16 位的 CPU，这个荣誉 应属于国民半导体，只是该公司于 1974 年推出的产品市场反应很差，并不为太多人所知。Zilog 和 Motorola 公司也毫不示弱，分别于 1979 年和 1980 年推出了各自的 16 位 CPUZ8000 和 MC68000。Z8000 是 Zilog 花了

9、 3 年时间开发的，公司上下对它寄予厚 望，希望其能延续 Z80 的辉煌战绩。可这时 Zilog 却犯了致命错误：Z8000 不能向下完全 兼容 Z80，这就意味着原来的客户须修改产品设计才能升级到新的 16 位平台，结果 Zilog 公司业务一落千丈，许多客户重新回到 Intel 的怀抱。4. Intel 的新招数提前公布 Roadmap（发展规划）由于对手的失误，Intel 在和 Zilog 的竞赛中轻松领先，但和 MOTOROLA 的较量就 没有这么幸运了。Intel 8086 的起跳频率为 4.77MHz，内存寻址能力为 1MB，而 MOTOROLA 68000 的起跳频率为 8MHz

10、，最大内存控制空间达到 16MB。68000 的综合 性能超过了 8086，所采用的架构也比后者更合理、更有前瞻性，就连 Intel 自己的很多员 工也持这种看法，更不用说普通客户了。市场的反应也说明了这一点，越来越多的客户 开始考虑转移到 68000 的硬件平台上。面对 MOTOROLA 产品强劲的挑战，Intel 决定扬长避短，发起大规模的市场推广活 动，以巩固自己的客户。Intel 的做法是：推出 100 多页的未来产品目录 （相当于现在的 Roadmap） ，上面列出了未来各种芯片的规格和数据表格，以此向客户表明 Intel 是有 长远规划的、值得信赖和长期投资的硬件平台开发商。至于这

11、些列出的产品在未来能不 能完全兑现，对 Intel 来说并不重要，最重要的是让客户相信，Intel 的产品虽然是未 来的产品，性能和继续开发的潜力远远超过了 MOTOROLA 的 68000。如果客户的兴趣 被转移到这些未来的产品上，他们就不会轻易转向 MOTOROLA，而更愿意等待 Intel 新 产品的问世，那时候再轻松升级到新的 Intel 芯片上。这种以“空对地”的市场手段的确很高明，不但巩固了 Intel 的客户资源，也开创了在 产品上市之前、甚至是正式投入开发之前发布产品规格的做法。如今，在计算机行业， 发布本公司产品的 Roadmap 已成为惯例了。Intel 虽然依靠市场手段暂

12、时保住了自己的领先地位，但无论是它自己还是 MOTOROLA，都明白市场上的位置随时都可能发生变化，较量远远没有结束。双方都卯 足了劲儿开发新一代产品，MOTOROLA 计划开发 32 位 CPU，而 Intel 的未来产品目 录上则赫然写着集成度和速度更快的 80186。80186 在 8086 的基础上集成了一些外围 的控制部分，只要搭配部份 I/O 元件，就能组成一个单芯片电脑系统，这样客户的开发工 作就变得轻松多了。然而，80186 却算不上一个成功的产品，原因很简单：在 80186 还没 有普及之前，IBM PC 就问世了，而 80186 内建的中断控制器跟当时 IBM PC 所使用

13、的 8259A 中断控制器并不兼容。虽然它是 Intel 已推出的新产品，但做不到和 IBM PC 100% 的兼容，客户也不会选择它。不过好在 IBM PC 上已经安装了 Intel 的 8088 芯片，能攀上 IBM 这棵大树，对于当时的 Intel 来说已是天大的喜事，80186 这点无法预计到的瑕疵， 也就不算什么了。 很多人以为自从 IBM PC 问世以后，Intel 就随之成为无可争议的 CPU 霸主，其实非 也。在 Pentium 成为市场主流之前，Intel 的领先地位一直很不稳定，多次面临险境。不 信请看：二、 狭路相逢， “芯”际争霸1. Intel vs MOTOROLA

14、看到 Apple 等一帮行业“新秀”靠着个人电脑大发其财， “蓝色巨人”IBM 坐不住了。 1981 年 8 月，IBM 正式推出了 IBM PC，其 CPU 和操作系统分别选择了 4.77MHz 的 Intel 8088 和微软的 MS-DOS。IBM 当时为什么没有采用 MOTOROLA 68000 呢？据说一 个原因是 Intel 8086/8088 当时在市场上居于领先地位，另一方面，IBM PC 的主要竞争对 手 Apple 电脑已采用 MOTOROLA 的产品，因此 IBM 就故意唱反调，选择了 Intel 的产 品。接下来的故事想必大家都已耳熟能详了，COMPAQ（康柏）等公司相

15、继推出了和 IBM PC 兼容的个人电脑，这个市场像“滚雪球”似地越滚越大。1983 年 3 月，IBM 发布了 改进型的 PC/XT 系列，市场反应远远好于采用 MOTOROLA 68000 芯片的 Apple Lisa 电 脑。IBM 的市场占有率达到了 76%，一举把 Apple 挤下 PC 霸主的宝座，IBM PC 成为个 人电脑事实上的标准，反倒是开创个人电脑先河的 Apple 被挤到一个小角落，成为配角， 这无疑对 Intel 和 MOTOROLA 的 CPU 产品的命运起了决定性影响。能为 IBM PC 架构的个人电脑提供 CPU，使 Intel 获得了极大的市场能量，PC 市场

16、雪崩式的扩大，使 X86 架构迈进了发展的快车道。当然 Intel 也付出了小小的代价，就是被迫恢复了对其他公司的产品授权协议。在 8 位 CPU 时代，Intel 曾授权 AMD 等公司作为“第二供应商”生产 8080/8085；当 8086/8088 推出以后，Intel 不愿让这些公司靠自己发展壮大，便拒绝继续提供产品授权。而此时为 满足“蓝色巨人”提出的必须有多个供应商的要求，Intel 不得不和 AMD、NEC、西门子、 Harris 等公司签署协议，允许它们生产 Intel 的 CPU。此后，Intel 于 1982 年推出了 80286，最高速度为 20MHz，最大寻址能力 16MB，集 成 125000 颗晶体管，具有“实模式”和“保护模式”两种工作模式，并拥有多任务切换、内 存分段保护与虚拟内存等功能。1984 年 8 月，IBM 推出了采用 80286 的 PC/AT 系列电脑， 巩固了其在 PC 市场上的优势地位，也有力地推动了 286 的普及。就在 286 电脑大行其道之时，1984 年，MOTOROLA 领